v3 Electr Analog

172
Tony R. Introducere în circuite electrice şi electronice Kuphaldt Vol. 3 – Electronică analogică V 2.0 www.circuiteelectrice.ro

description

Electronica

Transcript of v3 Electr Analog

  • Tony R.

    Introducere n circuite electrice i electronice Kuphaldt

    Vol. 3 Electronic analogic

    V 2.0

    www.circuiteelectrice.ro

  • Prefa

    Cartea de fa reprezint varianta romneasc a volumului de Electronic analogic, al treilea din seria lucrrilor Lessons in Electric Circuits scrise de Tony R. Kuphaldt sub licena DESIGN SCIENCE LICENSE.

    Prezenta versiune se distribuie gratuit prin intermediul site-ului oficial. Ultimele nouti i varianta on-line se gsesc la adresa www.circuiteelectrice.ro. Orice comentarii sau sugestii de mbuntire sunt binevenite i pot fi trimise pe adresa [email protected]. Putei utiliza coninutul de fa n orice scop dorii respectnd condiiile impuse de licena DSL, n principal, menionarea sursei originale.

    Atenie, pe tot parcusul crii se va folosi notaia real de deplasare a electronilor prin circuit, i anume, dinspre borna negativ (-) spre borna pozitiv (+) !

    Modificri fa de versiunea precedent

    Au fost adugate urmtoarele capitole i subcapitole: 05 Dispozitive multijonciune (integral)

    18.07.2010

  • i

    CUPRINS

    01 - INTRODUCERE ................................................................................................................................................................. 2

    1. CIRCUITE ELECTRICE I CIRCUITE ELECTRONICE ................................................................................................................................... 22. ELEMENTE ACTIVE I ELEMENTE PASIVE ............................................................................................................................................ 33. AMPLIFICATORUL ........................................................................................................................................................................ 44. FACTORUL DE AMPLIFICARE ........................................................................................................................................................... 65. DECIBELUL ................................................................................................................................................................................. 8

    02 - FIZICA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE ................................................................................................................ 10

    01. FIZICA CUANTIC ..................................................................................................................................................................... 1002. VALENA I STRUCTURA CRISTALIN ............................................................................................................................................ 2003. BENZI DE ENERGIE ................................................................................................................................................................... 2204. ELECTRONI I GOLURI ............................................................................................................................................................... 2505. JONCIUNEA P-N .................................................................................................................................................................... 2806. DIODA .................................................................................................................................................................................. 3107. TRANZISTORUL BIPOLAR CU JONCIUNE (BJT) ............................................................................................................................... 3308. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP (FET) ..................................................................................................................................... 3809. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP CU POART IZOLAT (MOSFET) ................................................................................................. 4210. TIRISTORUL ............................................................................................................................................................................ 44

    03 - DIODA I REDRESORUL .................................................................................................................................................. 46

    1. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL DIODEI ......................................................................................................................................... 462. VERIFICAREA DIODEI CU OHMMETRUL ........................................................................................................................................... 513. PARAMETRII CARACTERISTICI AI DIODEI .......................................................................................................................................... 524. CIRCUITE REDRESOARE ............................................................................................................................................................... 545. DIODA ZENER - PRINCIPII I APLICAII ............................................................................................................................................ 60

    04 - TRANZISTORUL .............................................................................................................................................................. 68

    01. TRANZISTORUL - INTRODUCERE .................................................................................................................................................. 6802. TRANZISTORULUI CA I NTRERUPTOR ........................................................................................................................................ 6903. VERIFICAREA TRANZISTORULUI CU OHMMETRUL ............................................................................................................................ 7204. ZONA ACTIV DE FUNCIONARE A TRANZISTORULUI ........................................................................................................................ 7405. PUNCTUL STATIC DE FUNCIONARE AL TRANZISTORULUI .................................................................................................................. 7906. CONEXIUNEA EMITOR COMUN ................................................................................................................................................... 8307. CONEXIUNEA COLECTOR COMUN ................................................................................................................................................ 9108. CONEXIUNEA BAZ COMUN ..................................................................................................................................................... 9709. AMPLIFICATOARE CLASA A, B, AB, C I D .................................................................................................................................. 10110. METODE DE POLARIZARE ALE TRANZISTORULUI ............................................................................................................................ 10511. CUPLAJUL DE INTRARE I DE IEIRE ............................................................................................................................................ 10912. AMPLIFICATOARE CU REACIE .................................................................................................................................................. 113

    05 - DISPOZITIVE MULTIJONCIUNE ................................................................................................................................... 120

    1 - HISTEREZA ............................................................................................................................................................................ 1202 - TUBURI ELECTRONICE CU DESCRCARE N GAZE ............................................................................................................................. 1203 - DIODA SHOCKLEY ................................................................................................................................................................... 1244 - DIACUL ................................................................................................................................................................................ 1295 - TIRISTORUL ........................................................................................................................................................................... 1306 - TRIACUL ............................................................................................................................................................................... 1397 - OPTOTIRISTORUL ................................................................................................................................................................... 142

    06 - AMPLIFICATORUL OPERAIONAL ................................................................................................................................ 143

  • ii

    01. AMPLIFICATORUL CU POTENIAL DE REFERIN I AMPLIFICATORUL DIFERENIAL ............................................................................... 14302. AMPLIFICATORUL OPERAIONAL ............................................................................................................................................... 14603. REACIA NEGATIV ................................................................................................................................................................ 15104. REACIA NEGATIV PRIN DIVIZOR DE TENSIUNE ............................................................................................................................ 15405. AMPLIFICATORUL TENSIUNE-CURENT ......................................................................................................................................... 15706. CIRCUITE SUMATOARE I DE MEDIERE ........................................................................................................................................ 15907. REALIZAREA UNUI AMPLIFICATOR DIFERENIAL ............................................................................................................................ 16108. AMPLIFICATORUL DE INSTRUMENTAIE ...................................................................................................................................... 1629. CIRCUITE DE DERIVARE I INTEGRARE ........................................................................................................................................... 16310. REACIA POZITIV ................................................................................................................................................................. 166

  • 2

    01 - Introducere

    1. Circuite electrice i circuite electronice

    ntr-un circuit electronic, curentul este controlat de curent

    Definiia circuitelor electronice

    Circuitele electrice reprezint conexiuni ale conductorilor electrici cu elemente de circuit, n cadrul crora

    are loc o deplasare uniform de electroni. Circuitele electronice adaug o nou dimensiune circuitelor electrice, prin

    faptul c deplasarea electronilor este controlat, ntr-o oarecare msur, de un semnal electric adiional, fie sub

    form de curent, fie sub form de tensiune.

    Controlul curentului nu este neaprat specific electronicii. ntreruptoarele i poteniometrele controleaz i

    ele deplasarea electronilor. Prin urmare, diferena dintre electric i electronic este dat de modul n care acest

    control este exercitat n circuit, i nu neaprat de existena sau absena acestuia. ntreruptoarele i poteniometrele

    controleaz curentul mecanic, printr-un element acionat de o anumit for fizic extern circuitului. n electronic,

    pe de alt parte, avem de a face cu elemente speciale, capabile s controleze curentul cu ajutorul unui alt curent, sau

    prin aplicarea unei tensiuni statice. Cu alte cuvinte, ntr-un circuit electronic, curentul controleaz curentul

    Efectul Edison

    .

    Din punct de vedere istoric, precursorul electronicii moderne a fost inventat de Thomas Edison n 1880, pe

    cnd acesta lucra la dezvoltarea becului cu incandescen.

    Edison a descoperit c exist un curent

    electric ntre filamentul becului i o plac

    metalic instalat n interiorul nveliului

    vidat (figura alturat (b)). Astzi, acest

    comportament este cunoscut sub numele de

    efectul Edison. De menionat c bateria

    este necesar doar pentru nclzirea

    filamentului. Dac am folosi orice alt

    modalitate de nclzire a filamentului, efectul ar fi acelai.

  • 3

    Dioda i trioda cu vid

    n 1904, John Fleming a descoperit c introducerea n circuit a unui curent extern (bateria ataat plcii,

    figura de mai sus (b)) se poate realiza doar ntr-o singur direcie, de la filament la plac, dar nu i invers. Aceast

    invenie este cunoscut sub numele de dioda cu vid, folosit pentru transformarea (redresarea) curentului

    alternativ n curent continuu. Adugarea celui de al treilea electrod de ctre Lee De Forest (figura de mai sus (c)), a

    fcut posibil controlul curentului de la filament la plac cu ajutorul unui semnal mai mic. Invenia triodei cu vid de

    ctre De Forest a marcat practic nceputul erei electronice.

    Tranzistorul

    Tehnologia electronici a cunoscut o revoluie n anul 1948, odat cu invenia tranzistorului. Acest

    component electronic minuscul joac acelai rol ca i un tub cu vid, dar ocup un loc mult mai mic i este mult mai

    ieftin. Tranzistorii realizeaz controlul curentului cu ajutorul materialelor semiconductoare i nu prin vid.

    2. Elemente active i elemente pasive

    Elementele active de circuit sunt acele dispozitive ce pot controla curentul prin intermediul curentului

    Elementele pasive de circuit nu pot controla curentul la bornele lor cu ajutorul unui alt curent

    Elemente active

    Un element de circuit activ este orice tip de component ce poate controla deplasarea electronilor (curentul)

    pe cale electric. Pentru ca un circuit s poarte numele de circuit electronic, acesta trebuie s conin cel puin un

    astfel de element activ.

    Elementele active includ, printre altele, tuburile cu vid, tranzistoarele, redresoarele cu semiconductoare, i

    triacurile.

    Toate dispozitivele active controleaz curentul prin ele. Unele dispozitive active realizeaz acest lucru prin

    intermediul unei tensiuni, iar altele prin intermediul curentului. Cele care utilizeaz o tensiune static ca i semnal

    de control, sunt denumite dispozitive controlate n tensiune. Cele care folosesc un alt curent pentru controlul

    curentului n cauz sunt cunoscute sub numele de dispozitive controlate n curent

    Elemente pasive

    . Tuburile cu vid sunt dispozitive

    controlate n tensiune iar tranzistoarele pot fi de ambele tipuri.

  • 4

    Componentele ce nu pot controla curentul prin intermediul unui alt semnal electric

    3. Amplificatorul

    , sunt denumite elemente

    de circuit pasive. Rezistorii, condensatoarele, bobinele, transformatoarele i chiar i diodele, toate sunt considerate

    elemente de circuit pasive.

    Comanda unei cantiti mari de putere prin intermediul unei alte puteri, mai mici, poart numele de

    Dispozitivul ce realizeaz o asemenea amplificare de putere, poart numele de

    amplificare

    Definiia amplificrii

    amplificator

    Practic, elementele active sunt folosite pentru proprietatea lor de amplificare. Indiferent dac dispozitivul n

    cauz este controlat n tensiune sau n curent, puterea necesar pentru semnalul de control este de obicei mult mai

    mic dect puterea disponibil n curentul controlat. Cu alte cuvinte, un element activ nu permite pur i simplu

    controlul curentului de ctre curent, ci, face posibil controlul unui curent mare de ctre un curent mic.

    Datorit acestei diferene dintre puterea controlat i puterea de control, elementele active de circuit pot fi

    folosite pentru comanda unei cantiti mari de putere (putere controlat) de ctre o cantitate mic de putere (putere

    de control)

    Maina perfect

    . Acest comportament poart numele de amplificare.

    O lege fundamental a fizicii, cea a conservrii energiei, spune c energia nu poate fi creat dar nici

    distrus

    Toate mainile, incluznd circuitele electrice

    i electronice, au o eficien maxim de 100%.

    n cele mai fericite cazuri, puterea de intrare

    este egal cu puterea de ieire.

    . Dac aceast lege este adevrat, atunci construirea unui dispozitiv care s ia o cantitate mic de energie i

    s o transforme ntr-o cantitate mare de energie, pe cale magic, nu este posibil.

    Maina real

  • 5

    n realitate ns, de cele mai multe ori,

    mainile nu ating nici mcar aceast limit

    superioar, deoarece o parte din energia de

    intrare se pierde sub form de cldur

    radiat

    n spaiul din jur, iar aceast energie pierdut

    nu se regsete n valoarea energiei de ieire.

    Perpetuum mobile

    Au existat numeroase ncercri, fr succes

    ns, de a proiecta i construi

    putere de ieire s fie mai mare dect puterea

    o main a crei

    de intrare

    legea conservrii energiei, dar ar duce lumea

    . Acest lucru nu doar c ar viola

    ntr-o revoluie tehnologic fr precedent,

    deoarece acest tip de main s-ar putea

    alimenta singur, ntr-o bucl circular, i ar

    putea genera putere gratuit. Aceast main

    este cunoscut sub numele de perpetuum

    mobile.

    Dei au existat multe ncercri n acest domeniu, pn acum nu s-a reuit construirea unei maini capabile

    s se alimenteze singur, cu propria ei energie plus generarea unei energii suplimentare.

    Amplificatorul

    Totui, exist o gam de maini denumite amplificatoare, n cadrul crora, semnalele de putere mic de la

    intrare sunt transformate (cu ajutorul unei surse externe de putere) n semnale de ieire de o putere mult mai

    mare

    Principiul de funcionare al amplificatoarelor

    . Pentru a nelege cum pot amplificatoarele s existe fr a viola legea conservrii energiei, trebuie s

    nelegem modul de funcionare al dispozitivelor active.

  • 6

    Pentru c elementele active de circuit pot

    controla cantiti mari de putere electric

    cu ajutorul unei cantiti mici de putere

    electric, acestea pot fi utilizate n circuite

    pentru duplicarea formei semnalului de

    intrare cu ajutorul unei surse externe de

    putere electric.

    Rezultatul este un dispozitiv ce pare a transforma pe cale magic un semnal electric de putere mic ntr-un

    semnal identic, dar de o putere/amplitudine mai mare. Legea conservrii energiei nu este violat, deoarece puterea

    adiional este introdus n circuit de o surs extern

    Eficiena amplificatoarelor

    , de obicei o baterie de curent continuu sau o surs echivalent.

    Amplificatorul nu creaz i nici nu distruge energie, ci doar o remodeleaz ntr-o form de und dorit.

    Cu alte cuvinte, abilitatea de control al curentului pe care elementele active le posed, este folosit pentru

    transformarea puterii de curent continuu dintr-o surs extern n aceeai form de und precum a semnalului de

    intrare, forma semnalului produs la ieire fiind n acest caz identic cu cea de la intrare, dar de o amplitudine mult

    mai mare. Tranzistorul, sau alte dispozitive active coninute ntr-un amplificator, formeaz pur i simplu o copie a

    formei de und a semnalului de intrare cu ajutorul sursei externe de curent continuu brute.

    Eficiena amplificatoarelor, precum este cazul tuturor mainilor, este limitat la un maxim de 100%

    4. Factorul de amplificare

    . De

    obicei, amplificatoarele electronice au o eficien mult sub acest nivel, datorit pierderilor considerabile de energie

    sub form de cldur.

    Raportul dintre valoarea de ieire i cea de intrarea a amplificatoarelor poart numele de

    Definiie

    factor de

    amplificare

    Deoarece amplificatoarele pot s mreasc amplitudinea semnalului de intrare, ar fi foarte util dac am

    descrie aceast proprietatea a lor printr-un raport ieire/intrare, raport ce poart numele de factor de amplificare, sau

  • 7

    amplificare. Acest factor nu are unitate de msur, fiind un raport dintre dou mrimi cu aceeai unitate de msur.

    Matematic, simbolul amplificrii este A.

    Exemplu

    De exemplu, dac la intrarea unui amplificator avem un semnal de tensiune alternativ efectiv de 2 V, iar

    la ieire avem o tensiune alternativ efectiv de 30 V, spunem c factorul de amplificare n tensiune al

    amplificatorului este de 15, adic 30 mprit la 2.

    Prin aceeai metod, dac tim factorul de amplificare i amplitudinea semnalului de intrare, putem calcula

    amplitudinea semnalului de ieire. De exemplu, dac un amplificator cu un factor de amplificare n curent

    Conectarea n serie a amplificatoarelor

    alternativ

    de 3,5, are la intrare un semnal de 28 mA efectiv, semnalul de ieire va fi 98 mA efectiv, sau 3,5 * 28 mA:

    n exemplele de mai sus, toate semnalele i amplificrile au fost considerate n curent alternativ. Trebuie

    menionat un principiu important: amplificatoarele electronice rspund diferit semnalelor de intrare n curent

    alternativ i curent continuu, iar amplificarea celor dou poate s fie diferit. nainte de a putea face calculele

    amplificrilor, trebuie s nelegem cu ce semnale avem de a face n primul rnd, alternative sau de curent continuu.

    Dac conectm mai multe amplificatoare n etaje, factorul de amplificare total va fi egal cu produsul

    amplificrilor individuale

    n figura de sus, un semnal de 1 V este aplicat intrrii unui amplificator cu factorul de amplificare 3. Ieirea

    acestuia, de 3 V, este introdus la intrarea unui amplificator cu factorul de amplificare 5, semnalul de la ieire fiind

    15 V.

    .

  • 8

    5. Decibelul

    Factorul de amplificare se poate exprima cu ajutorul decibelului

    Definiie

    n cea mai simpl form, factorul de amplificare al amplificatorului este un raport dintre semnalul de ieire

    i cel de intrare, fiind o mrime fr unitate de msur. Totui, exist o unitate de msur pentru reprezentarea

    amplificrii, i anume, bel-ul.

    Ca i unitate, bel-ul a fost folosit pentru reprezentarea pierderilor de putere din liniile telefonice, i nu

    pentru reprezentarea amplificrilor. Unitatea poart numele inventatorului scoian, Alexander Graham Bell, a crui

    munc fundamental a dus la dezvoltarea sistemelor telefonice. Sub forma sa original, bel-ul reprezenta cantitatea

    de semnal pierdut datorit rezistenei pe o anumit lungime de conductor electric. Acum, acesta este definit ca

    logaritm din baza zece a raportului dintre semnalul de ieire i cel de intrare:

    Comparaie

    Deoarece bel-ul este o unitate logaritmic, acesta este ne-liniar. S considerm urmtorul tabel, ca i o

    comparaie ntre pierderile de putere exprimate sub form de raport i aceleai pierderi exprimate sub form de bel:

  • 9

    Mai trziu a fost realizat faptul c bel-ul este o unitate de msur prea mare pentru a fi utilizat direct; prin

    urmare, a nceput s fie folosit tot mai des prefixul metric deci (1/10, sau 10-1

    ), i anume decibel-ul, sau dB. Astzi,

    expresia dB este att de rspndit nct majoritatea nu realizeaz c aceasta este o combinaie dintre deci i

    bel, sau c mcar exist o unitate de msur numit bel. Urmtorul tabel este asemntor celui precedent, dar

    de data aceasta valorile sunt exprimate n dB:

  • 10

    02 - Fizica dispozitivelor semiconductoare

    01. Fizica cuantic

    Electronii exist n atomi sub form de nori ai probabilitilor distribuite, i nu sub forma unor corpuri

    discrete ce orbiteaz n jurul nucleului precum sateliii n jurul planetelor

    Fiecare electron din jurul nucleului atomului are o stare unic descris de patru numere cuantice: numrul

    cuantic principal, cunoscut sub numele de strat; numrul cuantic orbital, cunoscut sub numele de substrat;

    numrul cuantic magnetic, ce descrie orbitalul (orientarea stratului); numrul cuantic de spin, sau pur i

    simplu spin. Aceste stri sunt cuantificate, adic electronul nu poate exista ntre aceste stri ce sunt

    definite de numerotaia cuantic

    Numrul cuantic principal

    (n) descrie stratul pe care se afl electronul. Cu ct acest numr este mai mare,

    cu att raza norului electronic este mai mare fa de nucleul atomului, i cu att este mai mare energia

    electronului. Aceste numere sunt numere ntregi pozitive

    Numrul cuantic orbital

    (l) descrie forma norului electronic dintr-un anumit strat i este cunoscut adesea

    sub numele de substrat. Numrul substraturilor (formelor norilor electronici) din oricare strat este egal cu

    numrul cuantic orbital. Acestea sunt numere ntregi pozitive ce ncep de la zero i se termin la n-1 (n -

    numrul cuantic principal)

    Numrul cuantic magnetic ml

    descrie orientarea substratului (forma norului electronic). Numrul

    orientrilor substraturilor este de 2l + 1 (l - numrul cuantic orbital). Fiecare orientare unic poart numele

    de orbital. Aceste numere sunt ntregi, cu valori ntre -l i l

    Numrul cuantic de spin ms

    descrie o alt proprietate a electronului, iar valoarea acestuia poate s fie +1/2

    sau -1/2

    Principiul de excluziune al lui Pauli

    spune c, ntr-un atom, nu exist doi electroni cu acelai set de numere

    cuantice. Prin urmare, numrul maxim de electroni pe fiecare orbital este de 2 (spin=1/2 i spin=-1/2), de

    exemplu

    Notaia spectroscopic

    Comportamentul chimic al unui atom este complet determinat de electronii din straturile neocupate

    complet. Straturile inferioare ocupate complet nu au aproape niciun efect asupra formrii legturilor

    chimice ale elementelor

    este o convenie folosit pentru descrierea configuraiei electronilor dintr-un atom.

    Straturile sunt descrise de numere ntregi, urmate de substraturi, descrise cu ajutorul literelor (s, p, d, f), iar

    un indice superior este folosit pentru indicarea numrului total de electroni de pe fiecare substrat n parte

  • 11

    Importana fizicii cuantice

    Invenia dispozitivelor semiconductoare a constituit cu siguran o nou revoluie industrial. Aceste

    dispozitive au fcut posibil miniaturizarea aparatelor electronice, incluznd calculatoarele personale, dezvoltarea

    echipamentelor medicale de diagnoz i tratament, apariia dispozitivelor de telecomunicaii moderne i multe

    altele.

    Dar n spatele acestor realizri remarcabile se afl o alt revoluie a tiinei n general: fizica cuantic. Fr

    aceast nou nelegere a lumii, dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare nu ar fi fost posibil. Fizica cuantic

    este ns un domeniu al tiinei extrem de complicat, iar acest capitol reprezint doar o mic introducere. Fr o

    nelegere de baz a fizicii cuantice, sau cel puin o nelegere a descoperirilor tiinifice ce au dus la formularea

    acesteia, este imposibil nelegerea funcionrii dispozitivelor electronice semiconductoare. Majoritatea textelor de

    electronic ncearc s explice semiconductorii cu ajutorul fizicii clasice, lucru ce duce la o confuzie i mai mare,

    nu la nelegerea subiectului.

    Modelul clasic al atomului (Rutherford)

    Majoritatea dintre noi am vzut modele ale atomului

    care arat aproximativ precum n figura alturat

    (vezi subiectul discutat n volumul I).

    Acesta este cunoscut sub numele de modelul lui

    Rutherford. Centrul atomului este format din

    particule de materie minuscule denumite protoni i

    neutroni; electronii orbiteaz n jurul nucleului

    precum planatele n jurul Soarelui. Nucleul prezint

    o sarcin electric pozitiv datorit prezenei

    protonilor, neutronii neavnd sarcin electric, iar

    electronii ce orbiteaz n jurul nucleului poart o

    sarcin negativ, ntreg ansamblul fiind astfel echilibrat din punct de vedere al sarcinilor electrice.

    Electronii sunt atrai de protoni la fel cum planetele sunt atrase prin intermediul gravitaiei de Soare, dar

    orbitele sunt stabile datorit micrii electronilor. Acest model extrem de popular al atomului a fost prezentat pentru

    prima dat de Ernest Rutherford, ce a determinat pe cale experimental, n jurul anului 1911, c sarcinile pozitive

    ale atomului sunt concentrate ntr-un nucleu dens i de dimensiuni reduse, n contradicie cu modelul propus de J.J.

    Thompson, care susinea c aceste sarcini sunt distribuite egal n interiorul atomului.

  • 12

    Experimentul de mprtiere al lui Rutherford

    Acest experiment a presupus bombardarea unei folii subiri de aur cu

    particule Alfa, ncrcate pozitiv. Rezultatele au fost neateptate. O mic

    parte din particule au fost deviate la unghiuri foarte mari. Cteva dintre

    particulele Alfa au fost deviate napoi, la aproape 180o

    Motenirea modelului lui Rutherford

    , dar majoritatea

    particulelor au trecut pur i simplu prin folia de aur nedeviate, indicnd

    faptul c cea mai mare parte a foliei era compus din aer. Faptul c o mic

    parte a particulelor Alfa au fost deviate la unghiuri foarte mari nu se putea

    explica dect prin prezen unui nucleu minuscul, ncrcat cu sarcin pozitiv.

    Cu toate c acest model al atomului era mai precis dect cel al lui Thompson, totui, nici acesta nu era

    perfect. Au fost ntreprinse, prin urmare, noi experimente pentru determinarea structurii atomice corecte, iar aceste

    eforturi au dus la descoperirile bizare al fizicii cuantice. Astzi, modelul atomului, aa cum este el neles cel puin,

    este destul de complex.

    Totui, comparaia atomului lui Rutherford cu sistemul solar continu s domine chiar i n mediile

    academice.

    De exemplu, urmtoarea descriere este luat dintr-o carte de electronic:

    Electronii negativi ce orbiteaz n jurul nucleului pozitiv sunt atrai de acesta, ceea ce ne face s ne

    ntrebm: de ce electronii nu cad pe nucleul atomului? Rspunsul este c electronii rmn pe orbitele lor stabile

    datorit existenei celor dou fore egale i de sens contrar: fora centrifug exercitat asupra electronilor aflai n

    micare pe orbite ce anuleaz fora centripet ce atrage electronii spre nucleu datorit sarcinilor opuse.

    Urmnd modelul lui Rutherford, autorul consider electronii ca fiind buci solide de materie ce se

    deplaseaz pe orbite circulare, atracia fa de nucleul ncrcat cu o sarcin de semn contrar fiind balansat de

    micarea lor. Referirea la fora centrifug nu este corect din punct de vedere tehnic (nici chiar pentru planete),

    dar este uor de trecut cu vedere datorit popularitii ei. n realitate, nu exist nicio for care s mping un corp,

    orice corp, departe de centrul orbitei acestuia. Iluzia este dat de faptul c un corp ce are inerie tinde s se

    deplaseze n linie dreapt, iar din moment ce o orbit este o deviaie (acceleraie) a deplasrii n linie drept, exist

    tot timpul o opoziie fa de fora de atracia a corpului spre centrul orbitei, fie c este for gravitaional, atracie

    electrostatic, sau orice alt for.

    ns, adevrata problem a acestei explicaii este idea c orbitele electronilor sunt circulare. Faptul c

    sarcinile electrice accelerate emit radiaie electromagnetic se tie nc de pe vremea lui Rutherford, iar acest lucru

    se poate dovedi pe cale experimental. Din moment ce micarea orbital este o form de acceleraie (corpul ce

    orbiteaz este ntr-o acceleraie constant fa de micarea normal, liniar), electronii aflai n stare de orbitare ar

    trebui s arunce radiaie precum o roat aflat n noroi. Dac electronii ar pierde energie n acest mod, acetia s-ar

  • 13

    apropia din ce n ce mai mult de nucleu, rezultatul fiind o coliziune cu nucleul pozitiv. Totui, acest lucru nu se

    ntmpl n general n atomi. ntr-adevr, orbitele electronilor sunt extrem de stabile.

    Spectrul luminii emis de ctre atomi

    Mai mult dect att, experimentele cu atomi excitai au demonstrat c energia electromagnetic emis de

    un atom posed doar anumite frecvene specifice. Atomii excitai de influene externe, precum lumina, absorb

    aceast energie i emit unde electromagnetice de frecvene specifice. Cnd energia emis de un atom este

    descompus n frecvenele sale (culori) cu ajutorul unei prisme, spectrul culorilor este compus din linii distincte,

    acestea fiind unice elementului respectiv. Acest fenomen este n general folosit pentru identificarea elementelor

    atomice, i chiar i pentru determinarea proporiilor fiecrui element dintr-o compoziie chimic. Conform

    modelului lui Rutherford i a legilor fizicii clasice, domeniul frecvenelor acestor atomi excitai ar trebui s fie

    practic nelimitat. Cu alte cuvinte, dac modelul lui Rutherford ar fi fost corect, spectrul luminii emise de oricare

    atom ar aprea ca o band continu de culori i nu doar sub forma ctorva linii distincte.

    Orbitalii

    Niels Bohr a ncercat s mbunteasc modelului lui Rutherford dup ce a studiat o perioad de cteva

    luni n laboratorul acestuia n 1912. ncercnd s armonizeze i descoperirile celorlali fizicieni, precum Max Plank

    i Albert Einstein, Bohr a sugerat c fiecare electron posed o anumit energie specific, iar orbitele lor sunt

    cuantificate

    Dualismul corpuscul-und

    , astfel c fiecare dintre electroni poate ocupa doar anumite locuri n jurul nucleului. Pentru a scpa de

    implicaiile micrii electronilor datorit legilor electromagnetismului i a particulelor accelerate, Bohr a considerat

    aceste orbite (orbitali) ca fiind staionare.

    Cu toate c ncercarea lui Bohr de reconstruire a structurii atomului n termeni ct mai apropiai de

    rezultatele experimentale, a constituit un pas foarte important pentru fizic, acesta nu a fost totui complet.

    Analizele sale matematice au condus la predicii mult mai bune a evenimentelor experimentale dect modelele

    precedente ale atomului, dar cteva ntrebri despre modul ciudat al comportamentului electronilor nc nu i

    gsiser rspunsul. Susinerea faptului c electronii existau n stri staionare i cuantificate n jurul nucleului era un

    pas nainte, dar motivul pentru care electronii se comportau astfel nu era nc cunoscut. Rspunsul acestor ntrebri

    avea s-l dea un alt fizician, Louis de Broglie, cu aproximativ zece ani mai trziu.

    De Broglie a propus c electronii, precum fotonii (particule de lumin), manifest att proprieti ale

    particulelor ct i proprieti ale undelor. Bazndu-se pe aceast interpretare, acesta a sugerat c o analiz a

  • 14

    orbitalilor electronilor din punct de vedere al undelor i nu al particulelor, ar rspunde mai multor ntrebri legate

    de natura lor. ntr-adevr, acesta a reprezentat un nou pas n dezvoltarea unui model al atomului.

    Ipoteza lui de Broglie a fcut posibil introducerea suportului matematic i analogiilor fizice pentru strile

    cuantificate ale electronilor dintr-un atom, dar nici modelul acestuia nu era complet. n decurs de civa ani ns,

    fizicienii Werner Heisenberg i Erwin Schrdinger, fiecare lucrnd individual, au creat un model matematic mult

    mai riguros pentru particulele subatomice, plecnd de la conceptul dualitii und-particul a lui de Broglie.

    Principiul incertitudinii al lui Heisenberg

    Avansul teoretic de la modelul staionar al undei propus de de Broglie la modelul matricial al lui

    Heisenberg la ecuaiile difereniale ale lui Schrdinger, este cunoscut sub numele de mecanic cuantic i introduce

    o caracteristic aparent ocant a lumii particulelor subatomice, i anume probabilitatea sau incertitudinea. Conform

    teoriei mecanicii cuantice, poziia exact i momentul exact al particulelor sunt imposibil de determinat n acelai

    timp

    Norii electronici

    . Explicaia acestui principiu al incertitudinii const ntr-o eroare de msur cauzat de obicei de procesul de

    msurare, i anume, prin ncercarea de msurare exact a poziiei unui electron, are loc o interferen cu momentul

    acestuia i prin urmare nu putem tii care a fost momentul acestuia nainte de efectuarea msurtorii, i invers.

    Implicaia surprinztoare a mecanicii cuantice este c particulele nu au de fapt o poziie i un moment precis, ci

    aceste dou cantiti sunt echilibrate astfel nct incertitudinea lor combinat nu scade niciodat sub o anumit

    valoare minim.

    Valoarea minim a incertitudinii poziiei i momentului unei particule, exprimat de Heisenberg i

    Schrdinger, nu are nimic de a face cu aparatele de msur neperformante, ci este o proprietate intrinsec a

    dualitii und-particul. Prin urmare, electronii nu exist n orbitele lor ca i buci de materie precis delimitate,

    i nici mcar sub form de unde bine delimitate, ci sub form de nori cu o distribuie

    Numerele cuantice

    de probabiliti, ca i cum

    fiecare electron ar fi mprtiat pe o suprafa mare de poziii i momente.

    Poziia radical conform creia, electronii existau sub form de nori, prea s vin n contradicie cu

    principiile originale ale strilor cuantificate ale electronilor: faptul c electronii exist sub forma orbitelor discrete

    i bine definite n jurul nucleului atomului. Aceast din urm explicaie a fost cea care a constituit, pn la urm,

    punctul de plecare al mecanicii cuantice. Totui, comportamentul cuantic al electronilor nu depinde de o anumit

    poziie i moment, ci depinde de cu totul alt proprietate, numerele cuantice. Pe scurt, mecanica cuantic nltur

  • 15

    noiunile clasice de poziie i moment absolut nlocuindu-le pe acestea cu noiuni ce nu au nicio analogie n viaa

    real.

    Cu toate c electronii exist sub form de nori cu probabiliti distribuite i nu sub form de materie

    discret, aceti nori au unele caracteristicei ce sunt discrete. Oricare electron dintr-un atom poate fi descris de patru

    numere cuantice

    Numrul cuantic principal

    , i anume: numr cuantic principal, orbital, magnetic i de spin. Toate aceste numere luate

    mpreun determin starea unui electron la un moment dat.

    Simbolizat prin litera n, acest numr descrie stratul pe care se afl un electron

    Astfel, primul strat (n=1) poate fi ocupat de doar 2 electroni, cel de al doilea strat (n=2) de 8 electroni, al

    treilea (n=3) de 18 electroni.

    . nveliul electronic este un

    spaiu din jurul nucleului atomului, format din straturi, ce determin poziiile n care electronii pot exista. Electronii

    se pot deplasa de pe un strat pe altul, dar nu pot exista n regiunile dintre straturi.

    Numrul cuantic principal al electronului este un numr ntreg pozitiv (1, 2, 3, 4...). astfel, fiecare electron

    poate exista pe unul dintre aceste straturi, n funcia de componena atomului. Aceste valori nu au fost alese arbitrar,

    ci ca urmare a experimentelor cu spectre de lumin: diferitele frecvene ale luminii emise de atomii de hidrogen

    excitai, urmeaz o secven matematic ce depinde de anumite valori ntregi.

    Fiecare strat poate susine mai muli electroni. O analogie a acestei aezri poate fi imaginat dac lum n

    considerare un amfiteatru. Fiecare persoan trebuie s aleag un rnd n care s se aeze (nu se poate aeza ntre

    rnduri); la fel, fiecare electron trebuie s aleag un anumit strat n care s se aeze. Ca i n cazul

    amfiteatrelor, stratul exterior poate susine mai muli electroni dect stratul interior, din apropierea nucleului. De

    asemenea, electronii tind s se aeze pe cel mai de jos strat disponibil, la fel cum ntr-un amfiteatru, oamenii

    caut s se aeze ct mai aproape de scen (n primul rnd). Cu ct numrul stratului (numrul cuantic principal, n)

    este mai mare, cu att energia electronilor ce-l ocup este mai mare.

    Numrul maxim de electroni dintr-un strat este descris de urmtoarea ecuaie:

    Straturile electronice (de la

    electron) ale unui atom au fost

    notate cu litere nu cu cifre.

    Primul strat (n=1) se noteaz

    cu litera K, al doilea (n=2) cu

    L, al treilea (n=3) cu M, al

    patrulea (n=4) cu M, al cincilea

  • 16

    (n=5) cu O, al aselea (n=6) cu P i al aptelea (n=7) cu Q.

    Numrul cuantic orbital

    Fiecare strat este compus din substraturi

    Primul substrat are forma unei

    sfere, dac l privim sub forma

    unui nor de electroni ce

    nvelete tridimensional

    nucleul atomic. Cel de al doilea

    substrat ns, este compus din

    doi lobi conectai mpreun

    ntr-un singur punct n

    apropierea centrului atomului. Al treilea substrat este format dintr-un set de patru lobi aranjai n jurul nucleului.

    Numrul orbital este un numr ntreg, la fel ca i numrul principal, doar c include i zero. Aceste numere

    sunt simbolizate prin intermediul literei l.

    . Substraturile sunt regiuni spaiale ce descriu locul n care pot

    exista nori electronici iar forma lor este diferit de la un substrat la altul.

    Numrul substraturilor dintr-un strat este egal cu numrul cuantic orbital

    Astfel, primul strat (n=1) are un substrat, numerotat cu 0; al doilea strat (n=2) are dou substraturi, 0 i 1; al

    treilea strat (n=3) are trei substraturi, 0,1 i 2. O alt convenie, foarte des ntlnit, este numerotarea substraturilor

    prin s (l=0), p (l=1), d (l=2) i f (l=3)

    .

    Numrul cuantic magnetic

    Numrul cuantic magnetic al unui electron determin orientarea formei substratului. Lobii substraturilor

    pot fi orientai n mai multe direcii. Aceste orientrii diferite poart numele de orbitali. Primul substrat (s; l=0) este

  • 17

    o sfer fr posibilitatea de existen a unei direcii, prin urmare, n acest caz, avem doar un orbital. Pentru al doilea

    substrat (p; l=1) din fiecare strat, lobii acestora pot avea trei direcii diferite.

    Simbolul numrului magnetic este ml

    Numrul cuantic de spin

    . Pentru a calcula numrul de orbitali din fiecare strat, utilizm

    urmtoarea formul:

    De exemplu, primul substrat (l=0) al oricrui strat, conine un singur orbital, numerotat cu 0; al doilea

    substrat (l=1) al oricrui strat conine trei orbitali, -1, 0, 1; al treilea substrat (l=2) conine cinci orbitali, numerotai

    cu -2, -1, 0, 1 i 2; etc.

    Proprietatea de spin a electronilor a fost descoperit pe cale experimental. O observaie mai atent a

    liniilor spectrale a reliefat faptul c fiecare linie este de fapt o pereche de linii foarte apropiate una de cealalt,

    ipoteza fiind c aceast structur este rezultatul spin-ului fiecrui electron n jurul propriei sale axe. Atunci cnd

    sunt excitai, electronii cu spin diferit vor emite energie sub frecvene diferite.

    Numrul de spin este simbolizat prin ms

    Principiul de excluziune al lui Pauli

    . n fiecare orbital, din fiecare substrat al fiecrui strat, pot exista

    doi electroni, unul cu spin +1/2, iar cellalt cu spin -1/2.

    Explicarea aezrii electronilor n atom cu ajutorul acestor numere cuantice poart numele de principiul de

    excluziune al lui Pauli. Acest principiu spune c, n acelai atom, nu pot exista doi electroni care s ocupe exact

    aceleai stri cuantice

    Notaia spectroscopic

    . Cu alte cuvinte, fiecare electron al unui atom posed un set unic de numere cuantice. Acest

    lucru impune o limit a numrului de electroni ce pot ocupa orice orbital, substrat sau strat.

    O metod practic i des ntlnit de descriere a acestui aranjament const n scrierea electronilor n funcie

    de straturile i substraturile ocupate

    Structura atomului de Hidrogen

    ; aceast convenie port numele de notaia spectroscopic. Sub aceast notaie,

    numrul stratului este un numr ntreg pozitiv, substratul este o liter (s, p, d, f), iar numrul total de electroni dintr-

    un substrat (toi orbitalii i spinii inclui) este reprezentat printr-un indice superior.

  • 18

    Alturat prezentat aranjamentul electronic al

    atomului de hidrogen.

    Cu nucleul format dintr-un singur proton, este

    suficient un electron pentru ca atomul s

    ating echilibrul electrostatic (sarcina

    electric pozitiv a protonului este n

    echilibru cu sarcina electric negativ a

    electronului). Acest electron ocup stratul cel mai de jos (n=1), primul substrat (l=1), n singurul orbital (orientarea

    spaial) al acelui substrat (ml=0), cu un spin de 1/2. Folosind notaia spectroscopic, hidrogenul, avnd doar un

    singur electron n stratul inferior, se poate descrie prin notaia 1s1

    Structura atomului de Heliu

    .

    Trecnd la urmtorul atom (n ordinea

    numrului atomic), avem elementul heliu.

    Nucleul unui atom de heliu are n compoziia

    sa doi protoni, iar acest lucru necesit

    existena a doi electroni pentru a echilibra

    sarcina electric total a atomului. Din

    moment ce ambii electroni, unul cu spin 1/2,

    cellalt cu spin -1/2, ncap pe un singur

    orbital, configuraia atomului de Heliu nu

    necesit substraturi sau straturi suplimentare pentru cel de al doilea electron.

    Totui, un atom ce conine trei sau mai muli electroni, va necesita substraturi adiionale pentru toi acei

    electroni, din moment ce pe stratul inferior (n=1) ncap doar doi electroni.

    Structura atomului de Litiu

    S considerm urmtorul atom, cel de litiu.

    Un atom de litiu folosete doar o fraciune din

    capacitatea stratului L (n=2), capacitatea

    total a acestuia fiind de opt electroni

    (capacitatea maxim a stratului = 2n2

    , unde n

    este numrul stratului).

  • 19

    Structura atomului de Neon

    Dac examinm aranjamentul electronic al unui

    atom cu stratul L completat, putem vedea cum toate

    combinaiile de substraturi, orbitali i spini sunt

    ocupate de electroni. Elementul ce corespunde

    acestei configuraii este Neonul.

    Observaii

    Adesea, atunci cnd se folosete notaia spectroscopic a unui atom, toate straturile ce sunt ocupate complet

    sunt ignorate, fiind scrise doar straturile neocupate sau stratul ocupat superior. De exemplu, neonul (prezentat mai

    sus), ce are dou straturi complet ocupate, poate fi descris pur i simplu prin 2p6 n loc de 1s22s22p6. Litiul, avnd

    stratul K complet ocupat, i doar un singur electron n stratul L, poate fi descris prin notaia 2s1 n loc de 1s22s1.

    Ignorarea straturilor inferioare, complet ocupate, nu este doar o convenie de scriere, ci ilustreaz foarte

    bine un principiu de baz al chimiei: comportamentul chimic al unui element este determinat n primul rnd de

    straturile sale neocupate. Att hidrogenul ct i litiul posed un singur electron n straturile superioare (1s1 i 2s1

    Elemente nobile

    ),

    iar acest lucru se traduce printr-un comportament similar al celor dou elemente. Ambele elemente sunt reactive, i

    au o reactivitate similar. Conteaz mai puin faptul c litiul posed un strat complet (K) n plus fa de hidrogen.

    Comportamentul su chimic este determinat de stratul su neocupat, L.

    Elementele a cror straturi superioare sunt ocupate complet, sunt clasificate ca elemente nobile, fiind

    aproape non-reactive fa de celelalte elemente. Aceste elemente au fost clasificate n trecut ca inerte, crezndu-se

    c sunt complet non-reactive, dar acestea pot forma compui cu alte elemente n condiii specifice.

  • 20

    02. Valena i structura cristalin

    Atomii ncearc s-i completeze stratul exterior, de valen, cu toi cei 8 electroni (2 electroni pentru

    stratul inferior). Atomii pot dona, accepta sau mpri electroni pentru a completa un strat

    Atomii formeaz adesea structuri ordonate i rigide denumite

    Un

    cristale

    ion pozitiv

    Un

    se formeaz prin cedarea unui electron de ctre un atom neutru

    ion negativ

    Elementele semiconductoare din grupa IVA, C, Si i Ge au o structur cristalin de tip diamant. Fiecare

    atom al cristalului este parte a unei molecule gigantice, formnd legturi cu ali patru atomi

    se formeaz prin acceptarea unui electron de ctre un atom neutru

    Majoritatea dispozitivelor semiconductoare sunt confecionate din

    Electronii de valen

    monocristale

    Electronii din stratul exterior, sau stratul de valen

    Formarea ionilor i a moleculelor

    , sunt cunoscui sub numele de electroni de valen.

    Aceti electroni sunt responsabil de proprietile chimice ale elementelor. Acetia sunt electronii ce particip la

    reaciile chimice cu celelalte elemente.

    Conform unei reguli chimice simplificate, aplicabil reaciilor simple, atomii ncearc s-i completeze

    toate locurile libere ale stratului exterior cu electroni

    Ioni pozitivi

    . Atomii pot ceda civa electroni pentru a descoperi un strat

    complet, sau pot accepta civa electroni pentru a completa ultimul strat (stratul exterior). Ambele procese duc la

    formarea ionilor. Atomii pot chiar s mpart electroni ntre ei n ncercarea de completare a stratului exterior,

    ducnd la formarea legturilor moleculare, adic, atomii se asociaz pentru formarea unei molecule.

    De exemplu, elementele din grupa

    I din tabelul periodic, Li, Na, K,

    Cu, Ag i Au au doar un singur

    electron de valen (numrul de

    electroni de pe ultimul strat). Toate

    aceste elemente posed proprieti

    chimice similare. Aceti atomi cedeaz un electron pentru a reaciona cu alte elemente, iar aceast proprietate face

    ca aceste elemente s fie conductoare excelente de electricitate. Cedarea electronilor de ctre atomi duce la

    formarea ionilor pozitivi

  • 21

    Ioni negativi

    Elementele din grupa VIIA, Fl, Cl

    i BR, au toate cte 7 electroni n

    stratul exterior (stratul de valen).

    Aceste elemente accept un

    electron

    Definiia ionului

    pentru completarea

    stratului de valen la 8 electroni.

    n cazul n care aceste elemente accept un electron, ele formeaz ioni negativi. Din moment ce nu cedeaz

    electroni, aceste elemente sunt foarte buni izolatori electrici.

    De exemplu, un atom de Cl accept un

    electron al unui atom de Na devenind ion

    negativ Cl-, iar atomul de Na devine ion

    pozitiv, Na+. Un ion este un atom, molecul

    sau grupare de atomi care are un exces de sarcin electric pozitiv sau negativ. Acesta este modul n care Na i Cl

    se combin pentru formarea NaCl, sarea de mas, care este de fapt o pereche de ioni, Na+Cl-

    Exemple

    . Fiindc sarcinile celor

    doi ioni sunt de semn contrar, cei doi se atrag reciproc.

    Elementele din grupa a VIIIA

    Elementele din

    , He, Ne, Ar, Kr

    i Xe au toate cte 8 electroni pe stratul de

    valen. Acest lucru nseamn c aceste

    elemente nici nu doneaz dar nici nu accept

    electroni, ne-participnd la reacii chimice cu

    alte elemente. Toate sunt izolatori electrici i se gsesc sub form de gaz la temperatura camerei.

    grupa IVA, C, Si i Ge au toate

    cte 4 electroni n stratul de valen. Aceste

    elemente formeaz compui cu alte elemente,

    dar nu formeaz ioni. Acest tip de legtur este

    cunoscut sub numele de legtur covalent.

    Se poate observa c atomul din centru are

  • 22

    completat stratul de valen prin punerea n comun a electronilor atomilor. Figura de mai jos este o reprezentare

    bidimensional a unui aranjament tridimensional. Elementele din aceast grup prezint proprietile

    semiconductoare pe care le vom studia n continuare.

    Structura cristalin

    Majoritatea substanelor anorganice formeaz o structur ordonat denumit cristal atunci cnd se formeaz

    legturi ntre atomii sau ionii acestora

    Majoritatea metalelor sunt moi i uor deformabile pe cale industrial. n timpul prelucrrii, microcristalele

    sunt deformate, iar electronii de valen sunt liberi s se deplaseze prin reeaua cristalin, i de la cristal la cristal.

    Electronii de valen nu aparin unui atom anume, ci tuturor atomilor.

    . Chiar i metalele sunt compuse din cristale, la nivel microscopic. Practic

    ns, toate metalele industriale au o structur policristalin, n afar de materialele semiconductoare ce sunt

    monocristaline.

    Structura cristalin rigid a NaCl prezentat n figura alturat, este compus dintr-

    o structur regulat repetitiv format din ioni pozitivi de Na i ioni negativ de Cl.

    Odat ce atomii de Na i Cl formeaz ionii de Na+ i Cl- prin transferul unui

    electron de la Na la Cl, fr existena electronilor liberi, electronii nu sunt liberi s

    se deplaseze prin reeaua cristalin, o diferena mare fa de metale. Nici ionii nu

    sunt liberi. Ionii sunt liberi s se deplaseze doar dac NaCl este dizolvata n ap,

    dar n acest caz, cristalul nu mai exist. Materialele ionice formeaz structuri

    cristaline datorit atraciei electrostatice puternice dintre ionii ncrcai cu sarcini opuse

    Materialele semiconductoare

    .

    Materialele semiconductoare din grupa IV (C, Si, Ge), formeaz de asemenea cristale. Fiecare atom

    formeaz o legtur chimic covalent cu ali patru atomi. Cristalul format este practic o singur molecul.

    Structura cristalin este relativ rigid i rezist deformaiilor. Exist un numr relativ mic de electroni liberi prin

    cristal.

    03. Benzi de energie

    Pentru ndeprtarea unui electron din banda de valen spre o band neocupat, superioar, denumit band

    de conducie, este nevoie de o anumit energie exterioar. Pentru deplasarea electronilor ntre straturi este

    nevoie de o energie mai mare dect pentru deplasarea lor ntre substraturi.

  • 23

    Datorit faptului c banda de valen i cea de conducie se suprapun n cazul metalelor, energia necesar

    pentru deplasarea unui electron este mic. Prin urmare, metalele sunt conductori de electricitate foarte buni

    Spaiul foarte mare existent ntre banda de valen i cea de conducie n cazul materialelor izolatoare,

    necesit o energie foarte mare pentru deplasarea electronilor ntre aceste benzi. Din aceast cauz, aceste

    materiale sunt bune izolatoare i nu conduc electricitate

    Materialele semiconductoare au un spaiu relativ mic ntre banda de valen i banda de conducie.

    Semiconductorii puri nu sunt nici buni izolatori, nici buni conductori

    Nivelele energetice

    Fizica cuantic descrie starea electronilor dintr-un atom cu ajutorul celor patru numere cuantice. Aceste

    numere descriu strile permise ale electronilor dintr-un atom.

    La fel ca spectatorii dintr-un amfiteatru, ce se pot deplasa liberi ntre scaune i rnduri, i electronii i pot

    modifica starea n cazul existenei unei energii suficiente i loc pentru deplasarea acestora. Din moment ce nivelul

    stratului este strns legat de cantitatea de energie a unui electron, salturile ntre straturi (i chiar substraturi)

    necesit un transfer de energie. Pentru ca un electron s se poat deplasa pe strat mai nalt, acesta are nevoie de

    energie adiional dintr-o surs extern. Folosind analogia amfiteatrului, pentru a ajunge ntr-un rnd de scaune

    superior, este nevoie de o energie din ce n ce mai mare, deoarece persoana trebuie s urce la o nlime tot mai

    mare ce necesit nvingerea forei gravitaionale. De asemenea, dac un electron coboar pe un strat inferior, acesta

    cedeaz energie. Aceste nivele poart numele de nivele energetice

    Nu toate salturile sunt ns egale, cele dintre straturi necesit cel mai mare schimb de energie, pe cnd

    salturile dintre substraturi sau dintre orbitali necesit un schimb de energie mai mic.

    Benzile de energie

    Cnd atomii se combin pentru

    formarea substanelor, straturile,

    substraturile i orbitalii exteriori

    se combin ntre ei, ducnd la

    creterea energiei disponibile

    pentru electroni. Cnd un numr

    foarte mare de atomi sunt foarte

    aproape unul de cellalt, aceste

    nivele de energie disponibile

    formeaz o band de electroni aproape continu, band pe care electroni se pot deplasa cu uurin.

  • 24

    Electronii liberi

    Limea acestor benzi i distana dintre ele determin mobilitatea electronilor n cazul aplicrii unui cmp

    electric asupra lor. n substanele metalice, benzile libere se suprapun cu benzile ce conin electroni, ceea ce

    nseamn c electronii unui singur atom se pot deplasa la un nivel energetic mai mare necesitnd foarte puin

    energie extern sau chiar deloc. Astfel, electronii din stratul exterior

    Cazul materialelor izolatoare

    sunt cunoscui sub numele de electroni liberi i

    se pot deplasa foarte uor dac sunt supui unui cmp electric exterior.

    Suprapunerea benzilor nu are loc ns n toate

    substanele, indiferent de numrul atomilor ce se

    afl n proximitate. n cazul unor substane,

    exist o distana considerabil ntre banda de

    valen (nivelul energetic cel mai mare) i

    urmtoarea band goal, denumit banda de

    conducie

    .

    Prin urmare, electronii de valen sunt legai de atomii lor i nu pot deveni mobili n cadrul substanelor

    fr ajutorul unei energii externe considerabile. Aceste substane formeaz materialele izolatoare (dielectrice).

    Cazul materialelor semiconductoare

    ns, materialele din categoria

    semiconductorilor au o

    distan energetic ngust

    ntre benzile de valen i cele

    de conducie. Astfel, cantitatea

    de energie necesar pentru

    trecerea electronilor de valen

    n banda de conducie, de und

    devin mobili, este destul de modest.

    La temperaturi joase, energia termic disponibil pentru mpingerea electronilor de valen peste spaiul

    dintre banda de valen i cea conducie este foarte mic, iar materialul semiconductor se comport precum un

  • 25

    izolator. La temperaturi nalte ns, energia termic devine suficient de mare pentru a fora electronii peste distana

    energetic, iar materialul se va comporta precum un material conductor.

    04. Electroni i goluri

    Golurile reprezint absena electronilor din banda de valen

    Materialele semiconductoare pure, cu un procent de 1 parte la 10 miliarde, nu sunt bune conductoare

    Materialele semiconductoare de tip N sunt dopate cu o impuritate pentavalent pentru crearea electronilor

    liberi. Un astfel de material este conductor, iar purttorii de sarcin majoritari sunt n acest caz electronii

    Materialele semiconductoare de tip P sunt dopate cu o impuritate trivalent i duce la crearea unei

    abundene de goluri n structura semiconductorului. Un astfel de material este conductor, iar purttorii de

    sarcin majoritari sunt n acest caz golurile

    Scop

    Materialele semiconductoare pure sunt izolatori relativ buni, n comparaie cu metalele, dar nu sunt la fel de

    bune precum sticla, de exemplu. Pentru a putea fi folosit n aplicaii cu semiconductori, materialul semiconductor

    pur, nedopat, nu trebuie s conin mai mult de o impuritatea la 10 miliarde de atomi semiconductori. Acest lucru

    este analog unei impuriti sub form de un fir de praf ntr-un sac de zahr. Materialele semiconductoare impure

    sunt conductoare mult mai bune, dar nu la fel de bune precum metalele. De ce se ntmpl acest lucru? Pentru a

    putea rspunde acestei ntrebri, trebuie s ne uitm la structura electronic a acestor materiale.

    Structura electronic a semiconductorilor

    n figura alturat (a), cei patru electroni din stratul

    de valen a unui material semiconductor formeaz

    legturi covalente cu ali patru atomi. Toi electronii

    unui atom formeaz legturi covalente. Electronii nu

    se pot deplasa liberi n structura cristalului.

    Prin urmare, semiconductorii puri (intrinseci) sunt izolatori relativ buni n comparaie cu metalele. Energia

    termic poate elibera ocazional un electron din structura cristalin a semiconductorului. Acest electron se poate

    deplasa liber prin structura cristalului (electron liber). Cnd acest electron a fost eliberat cu ajutorul unei energii

    exterioare, a lsat n urma lui un loc liber cu sarcin pozitiv n structura cristalului, sarcin cunoscut sub numele

  • 26

    de gol. Acest gol nu este nici el fix, ci se poate deplasa liber. Att electronul, ct i golul contribuie la conducia

    electric a cristalului. Electronul este liber pn n moment n care cade ntr-un gol, proces cunoscut sub numele

    de recombinare

    Doparea materialelor semiconductoare

    . Dac se aplic un cmp electric extern asupra semiconductorului, electronii i golurile se vor

    deplasa n direcii opuse.

    Creterea temperaturii duce le creterea numrului de electroni i goluri i la descreterea rezistenei. Acest

    lucru este exact opus comportamentului metalelor, unde rezistena crete odat cu creterea temperaturii datorit

    creterii coliziunilor dintre electroni i structura cristalin. Numrul de electroni i goluri ntr-un semiconductor

    intrinsec este egal. Totui, viteza de deplasare ai celor doi purttori de sarcin (electroni i goluri) nu este egal la

    aplicarea unui cmp electric extern. Cu alte cuvinte, mobilitatea celor doi purttori de sarcin nu este aceeai.

    Materialele semiconductoare pure nu sunt foarte folositoare. Acestea trebuie s prezinte un nivel nalt de

    puritate nainte de adugarea impuritilor specifice.

    Materialele semiconductoare pure (1 parte la 10 miliarde), pot fi murdrite cu aproximativ 1 parte la 10

    milioane pentru creterea numrului de purttori de sarcin. Adugarea unei impuriti precise

    Impuritatea donoare de tip N

    unui material

    semiconductor este cunoscut sub numele de dopare. Doparea crete conductivitatea semiconductorului, pentru ca

    acesta s se comporta mai mult ca un metal dect ca un izolator.

    Creterea numrului sarcinilor electrice negative din structura cristalin a unui material semiconductor se

    poate realiza prin doparea cu electroni a unui material donor precum fosforul. Materialele donatoare de electroni,

    cunoscute i sub numele de materiale de tip N, includ elemente din grupa VA a tabelului periodic: N (azot), P

    (fosfor), As (arsenic) i Sb (stibiu sau antimoniu). Azotul i fosforul sunt folosite ca dopani de tipul N pentru

    diamant, iar fosforul, arsenicul i stibiul sunt folosite ca i dopani pentru siliciu.

    Structura cristalin din figura

    alturat conine atomi avnd

    cte patru electroni n stratul de

    valen, formnd cte patru

    legturi covalente cu atomii

    adiaceni.

    Aceasta este structura anticipat a materialului semiconductor. Adugarea unui atom de fosfor cu cinci

    electroni n stratul de valena introduce un electron suplimentar n structura materialului, n comparaie cu atomul

  • 27

    de siliciu (figura alturat (b)). Impuritatea pentavalent formeaz patru legturi covalente cu patru atomi de siliciu

    cu ajutorul a patru electroni din cei cinci disponibili. Structura astfel format va dispune de un electron liber, rmas

    de la atomul de fosfor, ce nu are o legtur foarte strns cu cristalul la fel cum au ceilali electroni de siliciu, fiind

    liber s se deplaseze n cristal.

    Din moment de am dopat semiconductorul cu un atom de fosfor la fiecare 10 milioane de atomi de siliciu,

    exist relativ puini electroni liberi creai prin dopaj, dac facem o comparaie cu numrul de atomi de siliciu

    prezeni n structur. Totui, dac facem o comparaie ntre numrul de electroni liberi ai materialului dopat cu

    materialul pur, numrul de electroni liberi este relativ mare. Aplicarea unui cmp electric extern produce o

    conducie electric puternic a materialului semiconductor dopat n banda de conducie. Un nivel de dopaj mai

    ridicat, produce o conducie i mai puternic. Astfel, un material conductor cu o conductivitate sczut, a fost

    transformat ntr-un material conductor destul de bun.

    Impuritatea acceptoare de tip P

    De asemenea, este posibil introducerea unei puriti cu trei electroni n stratul de valen, adic un electron

    n minus fa de siliciu. Acest lucru duce la formarea unui gol, un purttor de sarcin pozitiv. Atomul de bor (B),

    ce are trei electroni pe stratul de valen, ncearc s realizeze patru legturi covalente cu atomii de siliciu, iar pe

    parcursul acestui proces, cei trei electroni se vor deplasa ncercnd s formeze aceste legturi (figura de mai sus

    (c)). Acesta lucru duce la impresia c golul se deplaseaz. Mai mult, atomul trivalent de bor poate mprumuta un

    electron de la un atom de siliciu adiacent (sau distant) pentru formarea celor patru legturi covalente. Dar acest

    lucru nseamn ca atomul de siliciu are un deficit de un electron. Cu alte cuvinte, golul s-a deplasat pe un atom de

    siliciu vecin.

    Golurile se regsesc n banda de valen, cu un nivel mai jos dect banda de conducie. Doparea cu un

    acceptor - un atom ce poate accepta un electron - creaz o deficien de electroni n structura materialului, sau un

    exces de goluri

    Deplasarea electronilor i a golurilor

    (cele dou exprimri sunt echivalente). Din moment ce golurile sunt purttori de sarcin pozitiv,

    un dopant acceptor de electroni poart numele de dopant de tip P. Elementele dopante de tip P includ elementele

    din grupa IIIA a tabelului periodic: B (bor), Al (aluminiu), Ga (galiu) i In (indiu). Borul este folosit pe post de

    dopant pentru siliciu i diamant, iar indiul pentru germaniu.

  • 28

    Exist o strns legtur, n analogia mrgelelor dintr-

    un tub, ntre deplasarea golurilor i deplasarea

    electronilor. Mrgelele reprezint electronii dintr-un

    conductor. Deplasarea electronilor de la stnga la

    dreapta ntr-un semiconductor de tip N se poate explica

    astfel: electronul intr n tub prin partea stng i iese

    prin partea dreapt. Deplasarea electronilor de tip N

    are loc n banda de conducie. Putem compara aceast deplasare cu deplasarea golurilor n banda de valen.

    Ceea ce trebuie neles este c electronii se deplaseaz n direcia contrar de deplasare a golurilor. Golurile

    nu sunt altceva dect absena electronilor din banda de valen

    Deplasarea electronilor (curent) ntr-un semiconductor de tip N este similar deplasrii electronilor dintr-un

    conductor metalic. Atomii materialului dopant de tip N furnizeaz electroni pentru conducie. Aceti electroni

    poart numele de

    , avnd prin urmare o sarcin pozitiv, sarcin

    datorat prezenei protonilor din nucleu, i de fapt aceasta este sarcina imaginar pe care o reprezentm cu

    ajutorul golurilor.

    purttori de sarcin majoritari

    05. Jonciunea P-N

    . Dac aplicm un cmp electric ntre dou puncte ale unui

    material semiconductor, electronii intr prin partea negativ (-) a materialului, traverseaz structura acestuia i ies

    prin partea dreapt (+), terminalul pozitiv al bateriei.

    Jonciunile PN sunt fabricate dintr-o bucat mono-cristalin de material semiconductor i conin att

    regiuni dopate cu materiale de tip P ct i regiuni dopate cu materiale de tip N, regiuni separate printr-o

    jonciune

    Transferul electronilor de la materialul de tip N spre golurile materialului de tip P, produce o barier de

    potenial n jurul jonciuni. Valoarea acesteia este de 0,6-0,7 V pentru siliciu, dar poate varia n cazul altor

    semiconductoare

    Jonciunea PN polarizat direct, conduce curent electric

  • 29

    Jonciunea PN polarizat invers, nu conduce aproape deloc curent

    Formarea jonciunii PN

    Dou blocuri distincte de material semiconductor

    Dac un bloc de material semiconductor de tip P este adus n

    contact cu un bloc de material semiconductor de tip N (figura

    alturat), rezultatul este nesatisfctor. Vom avea dou blocuri

    conductoare aflate n contact unul cu cellalt, dar fr

    proprieti unice. Problema const n existen a dou corpuri

    cristaline distincte i separate. Numrul de electroni este

    echilibrat de numrul de goluri n ambele blocuri. Astfel, niciunul dintre cele dou blocuri nu are o sarcin net

    Utilizarea unui singur cristal semiconductor

    .

    Totui, dac un singur cristal semiconductor este confecionat

    (dopat) cu un material de tip P la un capt, i un material de tip

    N la cellalt capt, combinaia respectiv prezint unele

    proprieti unice. n materialul de tip P, majoritatea purttorilor

    de sarcin sunt goluri, acetia putndu-se deplasa liberi prin

    structura cristalului. n materialul de tip N majoritatea

    purttorilor de sarcin sunt electroni, i acetia putndu-se

    deplasa liberi prin structura cristalului. n jurul jonciunii ns

    (intersecia dintre cele dou tipuri de materiale), electronii

    materialului N trec peste jonciune i se combin cu golurile din materialul P (figura alturat).

    Regiunea materialului P din apropierea jonciunii capt o sarcin negativ datorit electronilor atrai, iar

    regiunea materialului N din apropierea jonciunii capt o sarcin pozitiv datorit electronilor cedai. Stratul

    subire al acestei structuri cristaline, dintre cele dou sarcini de semne contrare, va fi golit de majoritatea

    purttorilor de sarcin, prin urmare, acesta este cunoscut sub numele de zona de golire

    Bariera de potenial

    , i devine un material

    semiconductor pur, non-conductor. De fapt, aproape c avem un material izolator ce separ cele dou regiuni

    conductive P i N.

  • 30

    Aceast separare de sarcini n jurul jonciunii P-N

    Polarizarea direct a jonciunii PN

    (zona de golire) constituie n fapt o barier de potenial.

    Aceast barier de potenial trebuie s fie nvins de o surs de tensiune extern pentru a se putea comporta

    precum un material conductor. Formarea jonciunii i a barierei de potenial are loc n timpul procesului de

    fabricaie. nlimea barierei de potenial depinde de materialele folosite pentru fabricarea acestuia. Jonciunile

    PN din siliciu au o barier de potenial mai ridicat dect jonciunile fabricate din germaniu.

    n figura alturat , bateria este poziionat astfel nct

    electronii s se deplaseze dinspre terminalul negativ nspre

    materialul de tip N. Aceti electroni se adun n jurul jonciunii.

    Terminalul pozitiv nltur electronii din materialul

    semiconductor de tip P, ceea ce duce la crearea golurilor ce se

    ndreapt i ele spre jonciune.

    Dac tensiunea bateriei este suficient de mare pentru a depi potenialul jonciunii (0,6 V n cazul

    siliciului), electronii materialului N i golurile materialului P se combin i se anihileaz reciproc. Acest lucru duce

    la crearea unui spaiu liber n structura materialului ce poate susine o deplasare i mai mare de purttori de sarcin

    spre jonciune. Astfel, curenii purttorilor de sarcin majoritari de tip N (electroni) i de tip P (goluri) se

    deplaseaz nspre jonciune. Recombinarea ce are loc la jonciune permite curentului bateriei s se deplaseze prin

    jonciunea PN a unei astfel de diode. n acest caz, spunem c o astfel de jonciune este polarizat direct.

    Polarizarea invers a jonciunii PN

    Dac polaritatea bateriei este inversat (figura alturat),

    majoritatea purttorilor de sarcin vor fi atrai dinspre jonciune

    spre terminalii bateriei. Terminalul pozitiv al bateriei atrage

    purttorii de sarcin majoritari (electronii) ai materialului N, iar

    terminalu negativ al bateriei atrage purttorii de sarcin

    majoritari (golurile) ai materialului P.

    Acest fapt duce la creterea grosimii zonei de golire non-conductive. Nu are loc nicio recombinare a

    purttorilor de sarcin, prin urmare, nu are loc nicio conducie. n acest caz, spunem c jonciunea PN este

    polarizat invers.

  • 31

    Ceea ce am creat mai sus prin doparea aceluiai cristal att cu material de tip N ct i cu material de tip P,

    este o diod

    06. Dioda

    .

    Definiia i simbolul diodei

    Dup cum am precizat i n seciunea precedent, dioda este realizat

    prin introducerea de impuriti de tip N i P n acelai cristal

    semiconductor. Simbolul schematic al diodei este prezentat n figura

    alturat (b), i corespunde semiconductorului dopat de la (a). Dioda

    este un dispozitiv unidirecional

    Polarizarea direct a diodei

    (vezi jonciunea PN). Deplasarea

    electronilor se poate realiza doar ntr-o singur direcie, invers fa de

    direcia sgeii, atunci cnd dioda (jonciunea PN) este polarizat direct.

    Catodul, din reprezentarea diodei, reprezint semiconductorului de tip

    N, iar anodul corespunde materialului dopat de tip P.

    Dac dioda este polarizat direct, curentul crete foarte puin pe msur

    ce tensiune crete de la 0 V. n cazul n care materialul semiconductor

    din care este confecionat dioda este siliciu, curentul ncepe s creasc

    doar dup ce tensiunea atinge valoarea de 0,6 V. Dac tensiunea crete

    peste valoarea de 0,6 V, valoarea curentului crete foarte rapid. O

    tensiune peste 0,7 V poate foarte uor s duc la distrugerea diodei.

    Aceast tensiune de deschidere a diodei n jurul valorii de 0,6 V,

    poart numele de tensiune de polarizare direct a diodei. Sub aceast

    valoare, dioda este nchis, i nu exist curent pe la bornele acesteia.

    Dei pentru siliciu tensiunea de polarizare direct este de 0,6-0,7 V, pentru germaniu aceasta este de 0,3 V,

    iar pentru LED-uri de civa voli. Curentul ce strbate dioda la polarizarea direct poart numele de curent direct

    Polarizarea invers a diodei

    ,

    iar acesta poate lua valori cuprinse ntre civa mA, pn la sute sau mii de amperi pentru diodele de putere.

  • 32

    Dac dioda este polarizat invers, curentul invers va avea o valoarea foarte mic, care n condiiile cele mai

    extreme poate ajunge la un maxim de 1 A (figura de mai sus, stnga). Valoarea acestui curent nu crete

    semnificativ odat cu creterea tensiunii de polarizare invers, dect la atingerea punctului de strpungere. Cnd

    punctul de strpungere este atins, curentul prin diod crete la o valoare att de mare, nct poate duce la distrugerea

    diodei dac nu exist un rezistor serie pentru limitarea curentului prin diod. De obicei se alege o diod a crei

    tensiune de strpungere

    Curentul de dispersie

    este mai mare dect valoarea tensiunilor aplicate la bornele sale. Diodele din siliciu au de

    obicei tensiuni de strpungere de la 50, 100, 200, 400, 800 V sau chiar mai mare.

    Am menionat mai sus c exist un curent de dispersie de sub un A, pentru diodele de siliciu, la

    polarizarea invers. Explicaia const n faptul c energia termic produce cteva perechi de electroni-guri, ce duc

    la apariia unui curent de dispersie pn la recombinare. Practic, acest curent previzibil este doar o parte a

    curentului de dispersie total. O mare parte a acestui curent se datoreaz conduciei de suprafa datorit

    impuritilor de la suprafaa conductorului. Ambele tipuri de cureni de dispersie cresc odat cu creterea

    temperaturii. n cazul germaniului, curentul de dispersie este de cteva ori mai mare dect n cazul siliciului.

    Dioda cu jonciune

    Dei la nceput, cea mai folosit diod a fost

    dioda cu contact punctiform (figura alturat

    (a)), majoritatea diodelor folosite astzi sunt

    diode cu jonciune (figura alturat (b)). Dei

    jonciunea PN din figur este puin mai

    complex dect o jonciune normal, aceasta

    este tot o jonciune PN.

    Pornind de la catod, N+ indic faptul c aceast regiune este dopat puternic, i nu are legtur cu

    polaritatea. Acest lucru reduce rezistena serie a diodei. Regiunea N-

    Observaii

    din nou, nu are nicio legtur cu polaritatea, ci

    indic faptul c aceast regiune este mai puin dopat, ceea ce duce la o diod a crei tensiune de strpungere

    invers este mult mai mare, lucru important pentru diodele de putere folosite n redresare.

  • 33

    Diodele de puteri mai mici, chiar i redresoarele de putere de tensiuni mai mici, vor avea pierderi de

    polarizare direct mult mai mici datorit dopajului mai puternic. Cel mai mare nivel de dopaj este folosit pentru

    diodele Zener, proiectate pentru tensiuni de strpungeri mici. Totui, un dopaj puternic duce la creterea curentului

    invers de dispersie. Regiunea P+

    07. Tranzistorul bipolar cu jonciune (BJT)

    de la anod, reprezint un material semiconductor, puternic dopat, de tip P, o foarte

    bun strategie pentru realizarea contactului. Diodele de jonciune mici, ncapsulate n sticl, pot conduce cureni de

    ordinul zecilor sau sutelor de mA. Diodele de putere redresoare, ncapsulate n plastic sau ceramic, pot conduce

    cureni de ordinul miilor de amperi.

    Tranzistorii bipolari conduc curentul folosind ca purttori de sarcin att electroni ct i goluri n cadrul

    aceluiai circuit. De aici i denumirea de bipolar

    Funcionarea corect a unui tranzistor bipolar ca i amplificator de curent necesit polarizarea invers a

    jonciunii colector-baz i polarizarea direct e jonciunii emitor-baz

    Amplificarea n curent a tranzistorului este exprimat prin relaia =IC / IB

    Scurt istoric

    , iar valoarea ei este de la 100 la

    300 pentru tranzistorii mici

    Primul tranzistor bipolar a fost inventat la Bell Labs de ctre William Shockley, Walter Brattain, i John

    Bardeen n 1948 (de fapt, 1947, dar invenia a fost publicat doar n 1948). Pentru aceast descoperire, cei trei au

    fost recompensai cu premiul Nobel pentru fizic n anul 1956.

    Definiia tranzistorului

    Tranzistorul bipolar cu jonciune este un semiconductor format din trei straturi, dou de tip N i unul de tip

    P (NPN). Contactele celor trei straturi poart numele de emitor i colector pentru semiconductorii de tip N, i baz

    Structura tranzistorului

    pentru semiconductorul de tip P. Configuraia este asemntoare unei diode, doar c mai exist un strat N n plus.

    Stratul din mijloc ns, baza, trebuie s fie ct mai subire cu putin, fr a afecta suprafeele celorlalte dou

    straturi, emitorul i colectorul.

  • 34

    Dispozitivul din figura de sus este format din dou jonciuni, una ntre emitor i baz, iar cealalt ntre baz

    i colector, aceste jonciuni formnd dou zone de golire.

    Polarizarea jonciunii baz-colector

    n mod normal, jonciunea baz-colector a tranzistorului este polarizat invers

    Polarizarea jonciunii emitor-baz

    (b). Acest lucru duce la

    creterea regiunii de golire. Aceast tensiune poate fi de civa voli pn la zeci de voli pentru majoritatea

    tranzistorilor. n acest caz, nu exist curent n circuitul colectorului, exceptnd curentul de dispersie de o valoarea

    foarte mic.

    Putem aduga o surs de tensiune i n circuitul emitor-baz al

    tranzistorului (figura alturat). n mod normal, jonciunea

    emitor-baz este polarizat direct

    , n ncercarea de depire a

    barierei de potenial de aproximativ 0,6 V. Acest lucru este

    similar polarizrii directe a jonciunii diodei. Tensiunea acestei

    surse trebuie s depeasc valoarea de 0,6 V pentru ca

    majoritatea purttorilor de sarcin (electroni pentru NPN) s

    treac din emitor spre baz, devenind purttori de sarcin

    minoritari n semiconductorul de tip P.

    Dac regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca i n cazul poziionrii spate-n-spate a dou diode, tot curentul

    ce intr n baz prin emitor, ar iei prin contactul bazei spre borna pozitiv a bateriei.

  • 35

    Totui, tranzistoarele sunt confecionate cu o baz foarte subire.

    O mic parte a purttorilor de sarcin majoritari din emitor,

    injectai ca i purttori de sarcin minoritari n baz, se

    recombin cu golurile acesteia (figura alturat). De asemenea,

    o mic parte a electronilor ce intr n baz pe la emitor trec

    direct prin baz spre borna pozitiv a bateriei. Dar majoritatea

    curentului din emitor trece prin suprafa subire a bazei direct

    n colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei duce

    la modificri importante ale curentului din colector. Dac

    tensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-

    colector scade la zero.

    Explicaie

    S privim ns mai ndeaproape la acest mecanism de amplificare al curentului. Considerm o jonciune

    NPN mrit, cu accentul pus pe baz. Chiar dac nu sunt prezentate n figur, presupunem c jonciunea emitor-

    baz este polarizat direct de o surs de tensiune, iar jonciunea baz-colector este polarizat invers. Electronii,

    purttorii de sarcin majoritari, intr n emitor de la borna negativ a bateriei. Deplasarea electronilor dinspre baz

    corespunde cu deplasarea acestor dinspre baz spre borna pozitiv a bateriei. Acesta este un curent foarte mic fa

    de curentul din emitor.

    Majoritatea purttorilor de sarcin n emitorul de tip N sunt electronii, ce devin purttori de sarcin

    minoritar la intrarea n baza de tip P. Aceti electroni au patru posibiliti dup ce intr n baza de tip P. O mic

    parte cad n goluri (figura de sus (a)), lucru ce contribuie la curentul nspre terminalul pozitiv al bateriei. Dei nu

    este reprezentat pe figur, golurile pot trece din baz spre emitor, unde se recombin cu electronii, contribuind i

    acetia la curentul bazei. O alt mic parte din electroni (b) trec direct prin baz nspre terminalul pozitiv al bateriei,

    ca i cum baza ar fi un rezistor. Att (a) ct i (b) contribuie curentului foarte mic al bazei. Curentul bazei este

  • 36

    aproximativ 1% din curentul emitor-colector, pentru tranzistoarele mici. Majoritatea electronilor din emitor ns (c),

    trec direct prin zona ngust de golire, nspre colector.

    Putem observa polaritatea zonei de golire ce nconjoar electronul (d). Cmpul electric intens trage

    electronul rapid n colector. Puterea cmpului electric este direct proporional cu tensiunea de alimentare a

    bateriei. astfel, 99% din curentul emitorului trece n colector. Aceast trecere este ns controlat de curentul

    bazei, ce reprezint aproximativ 1% din curentul emitorului. Acest lucru reprezint o amplificare de curent de 99,

    reprezentat de raportul dintre curentul colectorului i curentul bazei (IC/IB

    Eficiena emitorului

    ), cunoscut i ca .

    Difuzia electronilor emitorului prin baz i nspre colector este posibil doar dac baza este foarte subire.

    Ce s-ar ntmpla cu aceti purttori de sarcin dac baza ar fi de 100 de ori mai groas? Este foarte posibil ca

    majoritatea dintre ei, 99% n loc de 1%, s cad n goluri, nemaiajungnd la colector. Prin urmare, curentul de baz

    poate controla 99% din curentul emitorului, doar dac 99% din curentul emitorului trece nspre colector. Dac

    ntreg curentul iese pe la baz, controlul nu este posibil.

    Un alt motiv pentru care 99% dintre electroni trec din emitor, peste bariera de potenial i n colector, este

    c jonciunile bipolare reale folosesc un emitor mic dopat puternic. Concentraia mare a electronilor din emitor

    foreaz trecerea acestora n baz. Concentraia mic a dopajului din baz nseamn c exist mult mai puine goluri

    ce trec n emitor (lucru ce doar ar crete curentul bazei). Difuzia purttorilor de sarcin dintre emitor spre baz, este

    puternic favorizat.

    Faptul c baza este subire iar emitorul puternic dopat, in foarte sus eficiena emitorului, 99% de exemplu.

    Acest lucru corespunde ramificaiei curentului emitorului de 100% n 1% baz i 99% colector. Eficien emitorului

    se exprim astfel:

    Jonciunea PNP

  • 37

    Tranzistoarele bipolare pot fi confecionate i sub forma PNP. Diferena dintre PNP i NPN poate fi vzut

    n figura de sus.

    Diferena const n polaritatea jonciunilor baz-emitor, polaritate semnalat cu ajutorul sgeii emitorului

    n simbolul tranzistorului. Direcia sgeii este asemenea direciei anodului jonciunii unei diode, mpotriva sensului

    real de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, direcia sgeii este dinspre baz spre emitor, iar n cazul

    tranzistorilor PNP, direcia este dinspre emitor spre baz. Colectorul nu este reprezentat n niciunul dintre cazuri cu

    ajutorul vreunei sgei. Totui, polaritatea jonciunii baz-colector este aceeai cu polaritatea jonciunii baz-emitor

    n comparaie cu o diod.

    Structura

    Emitorul tranzistorului bipolar

    cu jonciune de mai jos este

    puternic dopat, dup cum

    indic i notaia N+

    . Baza are

    un nivel de dopaj P normal, dar

    aceasta este mult mai subire n

    realitate dect este prezentat n

    aceast figur (a).

    Procentul de dopaj al colectorului este sczut, dup cum indic notaia N-, pentru ca tensiunea de

    strpungere a jonciunii colector-baz s fie ct mai mare, ceea ce nseamn c sursa de tensiune poate alimenta

    tranzistorul la tensiuni mai mari. Tranzistoarele de siliciu mici, au o tensiune de strpungere de 60-80 V, dar aceasta

    poate ajunge la sute de voli pentru tranzistoarele de tensiune nalt. Dar, colectorul trebuie s fie n acelai timp

    dopat puternic pentru minimizarea pierderilor ohmice (datorit rezistenelor), n cazul n care tranzistorul trebuie s

    conduc cureni mari. ndeplinirea acestor cerine contradictorii se realizeaz prin doparea mai puternic a

  • 38

    colectorului spre partea de contact metalic, i doparea mai uoar a colectorului n apropierea bazei n comparaie

    cu emitorul. Tensiunea de strpungere a jonciunii emitor-baz scade pn la aproximativ 7 V datorit doprii

    puternice a emitorului, n cazul tranzistorilor mici. i tot datorit acestei dopri puternice, jonciunea emitor-baz se

    comport precum o diod Zener polarizat invers.

    Fabricarea mai multor tranzistoare pe acelai cip d natere unui circuit integrat

    Observaie

    , o reprezentare

    aproximativ a acestuia este dat n figura de mai sus (c).

    Calitatea tranzistorilor discrei de tip PNP este aproape la fel de bun precum cea a tranzistorilor NPN.

    Totui, tranzistorii PNP integrai nu sunt la fel de buni precum cei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate

    folosesc tranzistori de tipul NPN n marea lor majoritate.

    08. Tranzistorul cu efect de cmp (FET)

    Conducia canalului unui tranzistor (unipolar) cu efect de cmp (FET sau JFET) se datoreaz unui singur

    tip de purttor de sarcin

    Sursa, poarta i drena unui JFET corespund emitorului, bazei i colectorului unui tranzistor bipolar

    Polarizarea invers a porii duce la variaia rezistenei canalului prin extinderea zonei de golire

    Scurt istoric

    Tranzistorul cu efect de cmp a fost propus de Julius Liliendfel n 1926 i 1933 sub form de patent.

    Shockley, Brattain i Bardeen au investigat i ei tranzistorul cu efect de cmp n 1947, dar dificultile ntmpinate

    n realizarea acestuia i-au dus n schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de cmp

    a lui Shockley a fost publicat n 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era suficient de bine

    dezvoltat, astfel c doar n anul 1960 s-a reuit fabricarea unui dispozitiv funcional de ctre John Atalla.

    Definiie

  • 39

    Un tranzistor cu efect de cmp (FET - field effect

    transistor), este un dispozitiv unipolar

    , ceea ce

    nseamn c existena curentului depinde de un singur

    tip de purttori de sarcin. Dac dispozitivul se

    bazeaz pe un material semiconductor de tip N,

    purttorii de sarcin sunt electronii. Invers, pentru

    un